在前述本公众号有关复合材料测试领域系列文章中介绍了复合材料压缩性能、剪切性能、损伤容限、拉伸性能、冲击后压缩强度等测试方法。本文主要介绍了复合材料层间拉伸强度的测试方法及最新进展。
虽然复合材料层压板的层间拉伸强度不像单向（UD）复合材料的平面内拉伸性能那样经常被测量，但由于其值与纤维方向的平面内拉伸强度相比大大降低，因此层间拉伸强度也是一项重要的材料性能。一般而言，制造方法的改变可能会影响复合材料层压板各层之间的粘合强度，并显著降低层间拉伸强度。
目前，主要有两种ASTM标准化方法来测量复合材料层压板的层间拉伸强度：ASTM D64151弯曲梁弯曲试验和ASTM D72912平面拉伸试验，但是这两种测试方法都存在一定的局限性。在本文中，将为大家分享关于测量复合材料层间拉伸强度的最新方案。但在此之前，需要先了解一下现有两种测试方面存在的主要问题：
第一种测试方法ASTM D6415：它是使用间接加载方法在弯曲梁试样的中心区域产生层间拉伸应力状态。如图1所示，试样由两个直“腿”组成，中间有一个弧形区域连接，形成90°弯曲。使用所示的专用测试夹具对试样进行四点弯曲加载。弯曲梁试样的弯曲载荷导致90°角的开口，并在试样的中心弯曲区域产生贯穿厚度的层间拉伸应力。虽然弯曲梁弯曲试验很容易进行，但弯曲梁试样的制造往往存在问题，因为弯曲区域通常会产生层状波纹和孔隙，从而大大降低了测量的层间抗拉强度。
图1 ASTM D6415试验夹具和弯曲梁试样
第二种层间拉伸试验方法ASTM D7291平面拉伸试验：它是通过对圆柱形复合材料试样进行直接平面外拉伸载荷，产生层间拉伸应力，如图2所示。将钢制夹具块粘合到复合试样的顶部和底部，用于负载应用。当使用厚度为25毫米或更大的试样时，标准建议在中心区域使用锥形试样直径，以产生减少面积的测试截面，并促进粘结端块的失效。虽然在概念上很简单，但试样和夹具块组装在粘合操作期间容易出现错位，导致测试结果的高度可变性。
图2 ASTM D7291层间拉伸强度测试试样
最新的测试技术是使用短梁弯曲试验来测量层间拉伸强度。该试验方法使用与ASTM D23443短梁剪切试验相同的三点弯曲载荷配置。在这两种测试方法中，三点弯曲载荷在试样的上部和下部区域产生峰值弯曲应力。此外，最大剪切应力产生在试样的中厚区域。
事实上，短梁剪切试验和短梁弯曲试验之间唯一的显著差异是正在测试的短梁试样中的纤维取向。在短梁剪切试样中，纤维沿试样长度取向（图3a），而在短梁弯曲试样中，它们垂直于试样长度取向，如图3b所示。两种类型试样中纤维取向的差异导致两种类型的短梁试验中出现不同的失效模式：在短梁剪切试验中产生层间剪切破坏，在短梁弯曲试验中产生横向拉伸破坏。
图3 层间拉伸强度的短臂梁弯曲试验试样
在进行短梁弯曲测试时，可以采用两种不同的铺层方向，从而可以测量两种不同拉伸强度特性（如图3b和3c所示）。当铺层水平取向时，该试验变为横向拉伸试验，并提供横向拉伸强度的测量值（图3b）。当试样内的铺层界面垂直朝向时，该试验变为层间拉伸试验并提供层间拉伸强度的测量（图3c）。因此，图3c所示的基于弯曲的层间拉伸试验可以被视为图1和图2所示的两种标准化试验方法的替代方案。
但是上述图3c测量层间拉伸强度时的一个显著缺点是：需要制造极厚的UD层压板，其中短梁弯曲试样沿全厚度方向取向。研究表明，根据复合材料的层厚度需使用100-200层UD层压板作为试样。使用如此厚的层压板往往是有问题的，因为在固化过程中材料难以膨胀和固结，从而导致空隙和其他缺陷。
为了解决这些问题，研究人员开发了一种使用标准厚度UD层压板的三片粘合试样设计，如图3d所示。测试面板是通过切割试板的中心区域并将其替换为从原始方向旋转90°的同等尺寸的试板截面来生产的，从而使铺层边界延伸穿过试样厚度。测试面板的三块使用粘贴粘合剂粘合在一起，并切割成图3d所示的“旋转芯”试样。因此，当受到三点弯曲载荷时，试样的中心“旋转芯”部分会产生层间拉伸应力状态。使用这种试样，UD层压板被减小到可管理的厚度，并且相关的制造问题被最小化。
在总结了上述这些测量层间拉伸强度的测试方法后，出现了这样一个问题：这个数值是否是真正的“材料特性”。目前，普遍的共识是层间拉伸强度值随试样结构和测试材料的体积而变化。此外，不同类型的试样所使用的制造方法的差异(不同的形状、尺寸、厚度等)会影响复合材料层压板层之间的结合强度，从而影响测量的强度值。因此，层间拉伸强度应被视为一种“结构特性”，而不是真正的“材料特性”，因为它会取决所用的试样配置和制造方法。
